[发明专利]一种用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法及装置

说明书

技术领域

本发明是一种用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法及装置，属于特种加工技术领域，适用于高能束流或电弧填丝焊接、熔敷或快速成形。

背景技术

高能束流或电弧熔化丝材加工技术主要用于焊接、熔覆及快速成形。为了保证加工工程的稳定、加工表面形态及内部质量，在热源熔化送进的丝材填加工时，对丝材的对准精度要求很高。

金属丝材熔化加工过程稳定性取决于两个方面：

1.丝材的稳定送进及精确对准；送丝系统包含三个部分：储丝装置、送进装置、对准装置。储丝装置包括储丝纶及其支座；送进装置指送丝机及导管，送丝机通过电机驱动；对准装置指使送进的丝材准确进入熔池的装置，可以是固定式，也可以是可调式。

2.参数的合理匹配。加工过程中，工作位置及热源品质通常维持恒定，需要匹配的参数主要有热源功率、热源与工件的相对运动速度、送丝速度三个参数。当参数匹配不当时，会导致加工过程不稳定，甚至造成过程中断，主要现象有断续送丝、烧穿、焊漏、塌陷、大滴过渡、丝材弯曲等。

在实际工作过程中，丝材的送进并非均匀稳定：储丝轮受到丝材拉力产生转动，即使采用带有阻尼的轮轴，在惯性作用下，也会过量转动导致丝材松弛；当松弛部分重新拉紧后，再一次对储丝轮产生拉力，相对于送丝机，则产生波动性的负载，导致送丝速度的波动；另外，受丝材曲率及丝材本身弹性的影响，丝材在导管中不断翻滚，扭动，会使丝端产生偏摆，同时还会造成送丝阻力不规则变化，影响送丝速度的稳定性。

现有的送丝系统丝材的对准方式有固定式及可调式。固定式是将出丝导嘴的空间位置固定，使丝材在送出导嘴后在一定距离上进入熔池。在加工过程中，将不能对送丝角度、高度、位置进行对准，一旦发生丝材偏离将不能矫正，导致缺陷或成型失败。现有的可调节式送丝对准系统具有二维或三维可动系统，可以实现人工调节丝端位置，但很少具有实时自动调节能力。

热源熔化金属丝材进行焊接或堆积成型时，丝材的高速、稳定熔凝是关键技术之一。加工过程中，熔池受到基体表面状态及参数波动的影响，其位置、大小、形状均会出现意想不到的变化；丝材受到曲率变化、阻力波动、受热弯曲等影响，丝端将随机性摆动，大部分情况下均处于熔池范围，仍能加工，但偶发的大幅摆动可能使丝材偏离熔池，从而与工件发生干涉，轻则使加工过程的中断或形成缺陷，严重时会损坏送丝系统。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法及装置，其目的是在金属丝材熔化加工过程中，使丝材能够始终对准熔池的特定区域，避免发生偏离熔池的现象。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提出了一种用于金属丝材熔化加工的丝材对准方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)用摄像机对熔池及丝端部位进行摄影，按固定的时间间隔提取图像；

(2)对图像进行分区处理、定义；

2.1区分出熔池的边界轮廓线、丝端部位的影像及轮廓线；部分被丝材遮挡的熔池轮廓线由计算机通过已有的熔池轮廓线拟合补充。

2.2将熔池最宽处的连线定义为l₃，最长处连线定义为l₁，l₁和l₃这两条直线交点即熔池中心定义为O₁；

将丝材影像区长度方向中心线定义为l₂，将丝材影像上与l₂垂直的宽度突变的临界处连线定义为l₄，l₂和l₄这两条直线的交点O₂为丝端中心；

以l₃为分界线，以熔池轮廓中钝圆一边为熔池前缘，另一侧为熔池尾部；

需要说明的是，熔池长度方向与熔池的运动方向平行，但有可能与丝材轴线方向呈任意角度。

2.3以熔池中心O₁为基准，设定一个椭圆I形封闭的区域定义为安全区，在安全区域外缘与熔池的边界轮廓之间，再定义一个椭圆II，椭圆I和椭圆II之间的封闭区域作为过渡区，两个椭圆区域的中心即熔池的中心O₁，长轴与熔池长度方向中心轴线l₁重合，短轴与熔池宽度方向轴线l₃重合；

安全区椭圆I长半轴长度不大于l₁与熔池前缘轮廓的交点A与熔池中心O₁距离的50％，安全区的椭圆I的短轴长度不大于熔池宽度的50％；